La basilique collégiale de Santa Maria Assunta, ou Cathédrale de San Gimignano, est le principal lieu de culte de la ville. Située sur la Piazza del Duomo, au sommet d'un grand escalier, elle a probablement été construite en 1056 et certainement consacrée en 1148. Après les rénovations de 1239, la Cathédrale a été agrandie selon un projet de Giuliano da Maiano en 1460. Des interventions plus récentes ont été engagées pour réparer les dommages causés par la Seconde Guerre mondiale.
La façade nue en travertin date de l'époque romane et présente une rosace centrale et deux portails surmontés d'une lunette ronde monolithique avec un linteau décoré de cordons. L'intérieur de l'église, de plan basilical, est ponctué de quatorze colonnes classiques en pierre de Toscane, dont dix rondes et quatre octogonales. Les murs de l'église sont entièrement recouverts de merveilleuses fresques représentant les Histoires du Nouveau et de l'Ancien Testament, réalisées par d'illustres peintres de l'école siennoise du XIVe siècle tels que Lippo et Federico Memmi et Bartolo di Fredi. L'intérieur conserve les décorations polychromes typiques des églises médiévales, comme la magnifique voûte d'arêtes peinte en bleu et les intrados des arcs séparant les nefs, décorés d'un motif de bandeau au goût toscan.
Vous pouvez également admirer un joyau de la Renaissance : la Chapelle de Santa Fina, réalisée par trois importants artistes florentins : l'architecte Giuliano da Maiano, le sculpteur Benedetto da Maiano et le peintre Domenico Ghirlandaio. La chapelle est dédiée à la sainte la plus vénérée a San Gimignano. Frappée par une grave maladie à un jeune âge, Fina décida de passer le reste de ses jours sur une table en bois qui, au moment de sa mort, fleurit de violettes jaunes. Chaque année, au mois de mars, les violettes de Santa Fina fleurissent luxueusement au milieu des pierres dures des tours qui constituent la célèbre silhouette de la ville médiévale.